EP2994964A1 - Zündeinheit für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zündeinheit für eine brennkraftmaschine

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EP2994964A1
EP2994964A1 EP14726899.9A EP14726899A EP2994964A1 EP 2994964 A1 EP2994964 A1 EP 2994964A1 EP 14726899 A EP14726899 A EP 14726899A EP 2994964 A1 EP2994964 A1 EP 2994964A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
spark
electrodes
ignition device
ignition
Prior art date
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Application number
EP14726899.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2994964B1 (de
Inventor
Manfred Vogel
Hartwig Senftleben
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2994964A1 publication Critical patent/EP2994964A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2994964B1 publication Critical patent/EP2994964B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/46—Sparking plugs having two or more spark gaps
    • H01T13/462—Sparking plugs having two or more spark gaps in series connection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/24—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation having movable electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices
    • H01T13/42—Sparking plugs structurally combined with other devices with magnetic spark generators

Definitions

  • the present invention relates to an ignition unit for an internal combustion engine.
  • the present invention relates to an improved
  • Electrode arrangement for arrangement within a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Ignition units for spark-ignited internal combustion engines are known in the art. Electrical energy, often stored intermediately by means of an inductance, breaks through the combustion chamber volume between two electrodes, as a result of which the ignitable mixture in the combustion chamber is ignited. Usually, the two electrodes are arranged fixed to each other. As a result, a likewise fixed spark gap between the electrodes is predefined. In order to ignite the mixture successfully, must at least partially ignitable mixture in the field
  • Spark gap present which has only a stochastically distributed spatial variance.
  • the ignition unit has a first electrode and a second electrode, wherein the ignition unit is set up to provide a first ignition spark between the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode and the second electrode are adapted to be arranged within a combustion chamber or a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the ignition unit may optionally include further elements for generating a first spark, as known in the art (e.g., in the form of an inductance and / or a transformer).
  • Electrode is arranged movable relative to the first electrode.
  • the second electrode relative to the ignition unit or to the first
  • Electrode can be moved, rotated or swiveled. This can be done, for example, by means of an actuator (or “motor”), which is an optional component of the ignition unit and the second electrode after the electromagnetic
  • the ignition unit is set up to strike through a predefined area of the combustion chamber in the course of a movement of the second electrode with the first ignition spark.
  • the first electrode and the second electrode are arranged, the spark with respect to its longitudinal direction with a
  • the ignition unit comprises a third electrode, wherein the third electrode and the second electrode are arranged to form a second ignition spark.
  • a spark can also be generated between the third electrode and the second electrode, which spark may additionally and in particular exist at the same time as the first spark.
  • the statements made above in connection with the first electrode can apply correspondingly to the third electrode.
  • the second electrode can be so relative to first and / or third electrode, that the spark gap is moved or pivoted by a predefined area.
  • the sum of the spark gaps describes an area predefined by the movement of the electrode or the electrodes within the combustion chamber.
  • the second electrode is set up to contact the first electrode and / or the third electrode at the beginning of a movement.
  • Combustion space between the second electrode and the first electrode and the third electrode made possible, which allows generation of a spark as a break spark by the second electrode from the first electrode and / or the third electrode is removed. In this way, reduces the required for the generation of the spark ignition voltage and
  • an electromagnetic and / or an electromechanical actuator is provided and arranged to move the second electrode.
  • the actuator can use an electromechanical and / or electromagnetic action principle for moving the second electrode.
  • a piezoceramic can also be used.
  • a control unit may be provided for supplying the actuator with electrical energy in accordance with a time sequence adapted to the ignition time. This control can for example be taken over by an engine control unit which controls the internal combustion engine.
  • the three electrodes are arranged such that the
  • the second electrode is in contact with the first and third electrodes prior to its movement.
  • the first electrode and the third electrode have a common constriction, at which the smallest distance between the two electrodes is arranged from each other.
  • a bottleneck offers a predefined position for the formation of a common spark.
  • Material parameters at the bottleneck can be chosen such that a particularly high spark erosion resistance exists.
  • the second electrode is configured such that it is convex in the direction of the contact points with the first electrode or the third electrode
  • the electrodes are designed such that the sparks have at each of its two ends a sparking point which is located in the
  • the second electrode moves on the surface of the associated electrode, it moves toward a throat.
  • a spark may be formed between two electrodes at a first time, the length of which decreases in the course of the movement of the second electrode as the spark gaps move along the surfaces of the electrodes.
  • the movement of the second electrode can either ensure that an ignition spark occurs at a position between two electrodes at which the two electrodes do not have a slightest distance from one another.
  • the spark may be disposed at a bottleneck at a particular time, which, however, itself migrates together with the spark over the surface of the electrodes.
  • This refinement also makes it possible to reduce spark erosion at one and the same point of the combustion chamber for igniting the mixture at different points in space. More preferably, the three electrodes are configured and through the
  • the first, the second and the third electrode are advantageously arranged in such a way to each other and the second electrode additionally shifted such that, for example, two
  • Scenario increases the number of places or the volume in which an ignition is possible.
  • the first electrode may be electrically connected to a negative pole and the third electrode may be electrically connected to a ground of a voltage source.
  • the second (movable) electrode may have an electrical potential located between the negative pole and the electrical ground, which approximately halves the voltage between the negative pole and the electrical ground. This allows a particularly simple merging of two
  • an inductance can be provided between the negative pole and the first electrode, which is set up to form a magnetic field by means of which the required spark energy can be intermediately stored.
  • the arrangement of the electrical potentials described above can of course be reversed without functional restrictions, so that the first electrode is electrically connected to a positive pole of a voltage source and the third electrode is electrically connected to the electrical ground (or another corresponding electrical potential).
  • the second electrode is cylindrical or shaped like a stem.
  • a stem-shaped, for example, a cross-sectional area is understood in which a comparatively narrow shaft merges into a wider, predominantly convex end region.
  • Such a die provides a variety of possible spark gaps with adjacent electrodes which may have bottlenecks in conjunction with the convex end region.
  • the second electrode may have a flat, pointed, conical or curved end face, which faces the other two electrodes.
  • the first electrode and the third electrode may be cylindrical, cuboid, L-shaped or arcuate.
  • the abovementioned embodiments of the electrode surfaces are suitable options for allowing spark gaps to travel through the combustion chamber in the course of a movement of the second electrode and for achieving reliable ignition and avoiding spark erosion.
  • the first and third electrodes are arranged on a lateral surface of a virtual hollow cone, wherein the second electrode is at least partially disposed within the virtual hollow cone. This allows avoidance of direct and undesired spark gaps between the first and third electrodes before the second electrode has left a predefined position between the first and third electrodes.
  • the ignition unit is configured to allow a sparking point on the first and / or the second electrode to migrate in the course of a movement of the second electrode a predefined distance along a surface of the first electrode and / or the second electrode.
  • the movement of the second electrode moreover results in at least one
  • Funkenfu ßddling travels during the existence of the spark a predefined way on the surface of the first and / or the second electrode.
  • the erosion of the electrode surface is reduced or distributed over a larger surface area, which can be avoided or postponed for the life of the ignition unit relevant damage.
  • the surfaces of the first and the second electrode to each other can be configured such that in the course of a movement of the second electrode different Oberfumbleenyake have a shortest distance from each other.
  • the position of two associated surface points, which define a shortest distance between the electrodes at least with respect to a predefined section, is dependent on the current position of the second electrode. This can be realized by a suitable choice of the electrode geometry and / or by the trajectory performed by the second electrode. The same applies to the second electrode and the third electrode.
  • the space located between the first electrode and the third electrode is open over a large area to the combustion chamber.
  • a space arranged between the electrodes has a comparatively small volume in relation to its coupling surface in the direction of the combustion chamber. This can be achieved, for example, by compact (e.g., cylindrical) configurations of the individual electrodes. In this way it is ensured that the electrodes are on the one hand washed by as much gas mixture as possible, on the other hand, the mechanical stress of the
  • Electrodes largely prevented by expansions of the space formed between them in the course of the ignition process.
  • the heat of combustion can damage or
  • the three electrodes have sections inside the combustion chamber, while the actuator of the ignition device is arranged outside the combustion chamber. In this way, the actuator can be protected from the thermal, chemical and mechanical stress within the combustion chamber.
  • Figure 1 is a block diagram for explaining the generation of a
  • Figure 2 is a schematic diagram for explaining the generation of a
  • Figure 3 is a schematic diagram of a spatial arrangement of a fixed and a movable electrode in a contacted state
  • Figure 4 is a schematic diagram of a spatial arrangement of a fixed and a movable electrode in a separate state; 5a to 5e a sequence of schematic diagrams, visualizing the fusion of two sparks between three electrodes by movement of an electrode;
  • Figure 6 is a schematic diagram of an alternative electrode geometry with a linear converging gap
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of an alternative electrode geometry with a gap converging along a conical lateral surface
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of an alternative electrode geometry with a gap converging along a hollow spherical surface.
  • FIG. 1 shows an electrical energy source U1, which is set up to drive a current i1 through an inductance L1.
  • a switch S1 is closed behind the inductance L1 by means of an actuator A1 to ground.
  • the switch S1 comprises a first electrode E1 and a second electrode E2.
  • both electrodes E1, E2 are in electrical contact with each other.
  • the inductance L1 is charged by the current flow i1 with magnetic energy.
  • FIG. 2 shows the arrangement shown in FIG. 1 after opening the switch S1 by means of the actuator A1. Due to the now open switch S1, an ignition spark F has formed between the now spatially separated electrodes E1 and E2. Its energy is provided by the magnetic field of the inductance L1. If the switch S1 or the arrangement of the electrodes E1, E2 is located within a combustion chamber II and ignition mixture is ignitable in the region of the ignition spark F, the ignition spark can be used to ignite the mixture.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a possible spatial configuration of two electrodes E1, E2.
  • the first electrode E1 is at least partially (Within the combustion chamber II) arcuately executed and is contacted at a distal end by a movable second electrode E2 at a contact point 1 1.
  • the second electrode E2 is movably supported in the direction of an arrow P, so that a distance between the first electrode E1 and the second electrode E2 can be established.
  • the second electrode E2 is set up as an actuator by means of a magnetic core M and a coil Si surrounding the magnetic core M, via a voltage signal u (t)
  • Voltage source 12 to be moved in a predefined manner.
  • the actuator is arranged outside the combustion chamber, so that it is protected against thermal, chemical and mechanical influences.
  • FIG 4 shows the arrangement shown in Figure 3, after the second
  • Electrode E2 has been moved in the direction of arrow P. At the contact point 1 1 shown in Fig. 3, a constriction 10 has now emerged at which the electrodes E1, E2 have a smallest distance from each other.
  • FIG. 5a shows an embodiment of an ignition arrangement of an ignition unit according to the invention, comprising a first fixed electrode E1, a second movable electrode E2 and a third stationary electrode E3.
  • the first fixed electrode E1 a fixed electrode
  • E2 a second movable electrode
  • E3 a third stationary electrode
  • the electrode E1 and the third electrode E3 have two substantially parallel sections 13, 14, at the outer / distal end of which they approach each other through an essentially gable-shaped structure 15, 16.
  • the second electrode E2 is in electrical contact with the end portion (15) of the first electrode E1 and the end portion (16) of the third electrode E3.
  • the second electrode E2 has a the end portions 15, 16 facing convex surface, which is reminiscent of the top of a lens.
  • a (not shown) power of the ignition unit flows through the electrical connection between the first electrode E1 and the second electrode E2 and the second electrode E2 and the third electrode E3.
  • the current through the first electrode E1 and the second electrode E3 is caused by a voltage source U1, wherein in series with the voltage source U1, an inductance L
  • the movement of the second electrode E2 is made possible by two coils Si and S 2 . Both are arranged around a housing 18 outside of the combustion chamber II. Within the housing 18 is a magnetic core M, which is mechanically, preferably rigid, coupled to the second electrode E2.
  • a current flow through the first coil Si effected according to the electrodynamic principle, a movement of the magnetic core M within the magnetic field passing through the coil Si in a first direction. This may, for example, in the direction of the return spring 17, which is compressed in the course of such movement and generates a restoring force.
  • a current flow through the second coil S 2 This is set up, depending on the direction of a current flow as well as the return spring 17 to develop a force effect, on the basis of which the second electrode E2 strives in the direction of the constriction 10.
  • An alternative use or control of the second coil S 2 allows an addition of the electromagnetic forces of the first coil Si and the second coil S 2 and thus a large stroke with largely linear force development and additionally a use of two independently generated currents.
  • Another advantage of using a second coil S 2 (in addition to or instead of the return spring 17) is its centering effect on a magnetic core M.
  • the currents i1, i2 are provided by control units (not shown).
  • FIG. 5b shows the arrangement shown in Figure 5a, after the second electrode E2 has been removed in the direction of arrow P from the gable structure of the end portions of the first electrode E1 and the third electrode E3.
  • a first spark F1 has a region between them in the region of lowest
  • Figure 5c shows the arrangement shown in Figure 5b, after the second electrode E2 has been further removed in the direction of the arrow P from the end portions of the first electrode E1 and the third electrode E3.
  • Ignition spark F1 and the second spark F2 are in the direction of the smallest distance between the first electrode E1 and the third
  • Electrode E3 that is wandered in the direction of the arrows P1 and P2.
  • FIG. 5d shows the sequence of the movement of the second electrode E2 in the direction of the arrow P.
  • the spark gaps FF1 2, FF22 arranged at the second electrode E2 have met in response to which the first spark F1 and the second spark F2 become a single spark F are merged. Since the now V-shaped ignition spark F strives to join the In order to shorten the energy minimum principle accordingly, the situation shown in FIG. 5e arises.
  • Fig. 5e the spark has moved with its base points to those points of the first electrode E1 and the third electrode E3, which have the smallest distance from each other. Only this spark gap fulfills the energy minimum principle for the ignition spark F.
  • FIGS. 5a to 5e it can be seen which surface area the ignition sparks F1, F2 or the ignition spark F have crossed because of the movement of the second electrode E2.
  • a stationary spark gap like the
  • FIG. 6 shows an alternative electrode geometry to the electrode arrangement shown in FIG. The electrode sections in the combustion chamber II
  • Electrodes E1, E3 are designed, for example, cylindrical or rod-shaped, wherein the cross section may be circular, elliptical or rectangular. Both approaches to an imaginary by the actuator or the direction of movement of the second electrode E2 axis in the direction of the combustion chamber linearly to each other. The operation of the arrangement is identical to that in
  • FIG. 7 shows an alternative arrangement and design of three electrodes E1, E2, E3.
  • a first electrode E1 and a third electrode E3 are helically arranged along a conical (or "cone-shaped") envelope surface
  • a second electrode E2 is arranged, which first contacts both electrodes E1, E3 in the illustrated constellation.
  • the spark F t travels upward in the cone in the direction of the tip S, wherein it makes a rotation about the axis of rotational symmetry of the cone ', as indicated by the arrow P3.
  • the ignition spark F t has "screwed" the electrode spiral further upwards, so that it now has a shorter length than before as ignition spark F t2 .
  • FIG. 8 shows an alternative arrangement of three combustion chamber electrodes E1, E2, E3.
  • the first electrode E1 and the third electrode E3 are arranged substantially symmetrically to the symmetry axis y and symmetrically to the axis of movement of the second electrode E2.
  • the first electrode E1 and the third electrode E3 have two local bottlenecks 10a, 10b, between which both electrodes E1, E3 have concave sections.
  • the distance between the electrodes in a region between the local bottlenecks 10a, 10b increases in a hollow shape.
  • a movable second electrode E2 is shown in three possible positions a), b), c).
  • the second electrode E2 in this case has a substantially spherical end portion which has a smaller radius than the cavity formed between the first electrode E1 and the third electrode E3. In this way, it is possible that the second electrode E2 in the position a) has a respective contact point 1 1, 12 with the first electrode E1 and the third electrode E3.
  • the second electrode E2 is located between the positions a) and b), in which it has a bottleneck inter alia with those points of the concave electrode surfaces, which have a maximum distance from the symmetry axis y.
  • Electrode E1 and the second electrode E2 and between the third electrode E3 and the second electrode E2 are generated. If now the second electrode E2 moves from the position a) to the position b), the respective wander
  • Electrode E2 is reversed until finally in position a) again in
  • the spark gap is displaced, rotated, swiveled or otherwise modified in a predefined manner relative to a second point in time at a first point in time in order to break through different combustion chamber volumes at different times. The likelihood of successfully igniting an ignitable mixture is thereby increased, so that lean
  • Mixtures or less homogeneous mixtures can be used.

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Abstract

Es wird Zündeinrichtung für einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer ersten Elektrode und einer mittels eines Aktuators beweglichen zweiten Elektrode vorgeschlagen. Dabei ist die Zündeinrichtung eingerichtet, einen ersten Zündfunken zu erzeugen, wenn ein Kontakt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode unterbrochen wird. Hierzu wird die zweite Elektrode von der ersten Elektrode entfernt. Erfindungsgemäß ist weiter eine dritte Elektrode vorgesehen, die zur ersten Elektrode einen Abstand aufweist. Mit Hilfe der dritten Elektrode kann zusätzlich ein zweiter Zündfunken erzeugt werden, indem die zweite Elektrode von den beiden anderen Elektroden entfernt wird. Mit Hilfe der drei Elektroden ist die Zündeinheit eingerichtet, die beiden Zündfunken im Zuge der Bewegung der zweiten Elektrode ein zwischen den Elektroden gebildetes Volumen in Richtung quer zur Längserstreckung der Zündfunken durchlaufen zu lassen.

Description

Beschreibung Titel
Zündeinheit für eine Brennkraftmaschine Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündeinheit für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte
Elektrodenanordnung zur Anordnung innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine.
Zündeinheiten für fremdgezündete Brennkraftmaschinen sind im Stand der Technik bekannt. Elektrische Energie, häufig mittels einer Induktivität zwischengespeichert, durchschlägt das Brennraumvolumen zwischen zwei Elektroden, wodurch das zündfähige Gemisch im Brennraum entzündet wird. Üblicherweise sind die beiden Elektroden dabei feststehend zueinander angeordnet. Hierdurch ist eine ebenfalls feststehende Funkenstrecke zwischen den Elektroden vordefiniert. Um das Gemisch erfolgreich entzünden zu können, muss zumindest teilweise zündfähiges Gemisch im Bereich der
Zündfunkenstrecke vorliegen, welche lediglich eine stochastisch verteilte Ortsvarianz aufweist. Die Tendenz, insbesondere im Teillastbereich der Brennkraftmaschine magere Gemische zu verwenden, stellt dabei erhöhte Anforderungen an die Gemischschichtung im Bereich der Zündfunkenstrecke.
DE 26 35 150 zeigt das Prinzip eines Abreißfunkens in einem induktiven Kreis einer Zündeinheit für eine Brennkraftmaschine. Dabei wird eine Kontakttrennung durch eine Kolbenbewegung mechanisch gesteuert.
US 4,757,788 offenbart eine Kontakttrennung anstatt durch die Kolbenbewegung mittels eines separaten Relais.
Zudem ist der Ansatz bekannt, mehrere Zündfunkenstrecken innerhalb eines Brennraums und oder eine wiederholte Zündung ein und derselben
Funkenstrecke vorzusehen, um die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Zündung zu erhöhen. Dies erhöht jedoch den Bedarf an Material und elektrischer Energie für den Zündvorgang.
Offenbarung der Erfindung
Die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik werden erfindungsgemäß durch eine Zündeinheit für eine Brennkraftmaschine gelöst. Entsprechend weist die Zündeinheit eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, wobei die Zündeinheit eingerichtet ist, einen ersten Zündfunken zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bereitzustellen. Hierfür sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode eingerichtet, innerhalb einer Brennkammer bzw. eines Brennraums einer Brennkraftmaschine angeordnet zu werden. Die Zündeinheit kann optional weitere Elemente zur Erzeugung eines ersten Zündfunkens umfassen, wie sie aus dem Stand der Technik (z.B. in Form einer Induktivität und/oder eines Transformators) bekannt sind. Die zweite
Elektrode ist relativ zur ersten Elektrode beweglich angeordnet. Mit anderen Worten kann die zweite Elektrode relativ zur Zündeinheit bzw. zur ersten
Elektrode verschoben, rotiert oder geschwenkt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Aktuators (oder„Motors") erfolgen, welcher optionaler Bestandteil der Zündeinheit ist und die zweite Elektrode nach dem elektromagnetischen
Prinzip (wie z.B. von elektrodynamischen Lautsprechern bekannt) und/oder über eine Piezokeramik bewegt. Erfindungsgemäß ist die Zündeinheit dabei eingerichtet, im Zuge einer Bewegung der zweiten Elektrode mit dem ersten Zündfunken eine vordefinierte Fläche des Brennraums zu durchstreichen. Mit anderen Worten sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode eingerichtet, den Zündfunken hinsichtlich seiner Längserstreckungsrichtung mit einer
Querkomponente zu bewegen. Weiter umfasst die Zündeinheit eine dritte Elektrode, wobei die dritte Elektrode und die zweite Elektrode eingerichtet sind, einen zweiten Zündfunken auszubilden. Mit anderen Worten kann auch zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode ein Zündfunken erzeugt werden, der zusätzlich und insbesondere zeitgleich zum ersten Zündfunken bestehen kann. Dabei kann für die dritte Elektrode das zuvor in Verbindung mit der ersten Elektrode Gesagte entsprechend gelten. Auf diese Weise vergrößert sich die potentiell von den Zündfunken durchstrichene Fläche, ohne dass die zur Erzeugung des Zündfunkens erforderliche Zündspannung übermäßig erhöht werden müsste. Erfindungsgemäß kann die zweite Elektrode derart relativ zur ersten und/oder dritten Elektrode geführt werden, dass die Funkenstrecke durch eine vordefinierte Fläche bewegt oder geschwenkt wird. Mit anderen Worten beschreibt die Summe der Zündfunkenstrecken eine durch die Bewegung der Elektrode bzw. der Elektroden vordefinierte Fläche innerhalb des Brennraums. Erfindungsgemäß ist die zweite Elektrode eingerichtet, die erste Elektrode und/oder die dritte Elektrode zu Beginn einer Bewegung zu kontaktieren. Mit anderen Worten wird eine elektrisch leitende Verbindung innerhalb des
Brennraums zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode bzw. der dritten Elektrode hergestellt, was eine Erzeugung eines Zündfunkens als Abreißfunken ermöglicht, indem die zweite Elektrode von der ersten Elektrode und/oder der dritten Elektrode entfernt wird. Auf diese Weise verringert sich die für die Erzeugung des Zündfunkens erforderliche Zündspannung und
Energieaufwand sowie Isolationsmaßnahmen können weniger aufwändig ausfallen. Zudem ist ein elektromagnetischer und/oder ein elektromechanischer Aktuator vorgesehen und eingerichtet, die zweite Elektrode zu bewegen. Mit anderen Worten kann der Aktuator zur Bewegung der zweiten Elektrode ein elektromechanisches und/oder elektromagnetisches Wirkprinzip verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Piezokeramik verwendet werden. Eine Steuereinheit kann vorgesehen sein, um den Aktuator entsprechend einer an den Zündzeitpunkt angepassten Zeitfolge mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Steuerung kann beispielsweise von einem Motorsteuergerät übernommen werden, welches die Brennkraftmaschine steuert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Weiter bevorzugt sind die drei Elektroden derart angeordnet, dass die
bewegliche zweite Elektrode vor ihrer Bewegung die erste Elektrode und zusätzlich die dritte Elektrode jeweils an einer Kontaktstelle kontaktiert. Mit anderen Worten steht die zweite Elektrode vor Ihrer Bewegung mit der ersten und der dritten Elektrode jeweils in Kontakt. Dies bietet den Vorteil, dass die erste und die dritte Elektrode zeitgleich jeweilige Zündfunken ausbilden, so dass bei Erreichung einer maximal von beiden Zündfunken durchstrichenen Fläche die Zündspannung bestmöglich minimiert werden kann.
Vorteilhafterweise weisen die erste Elektrode und die dritte Elektrode eine gemeinsame Engstelle auf, an welcher der kleinste Abstand beider Elektroden voneinander angeordnet ist. Eine solche Engstelle bietet dabei eine vordefinierte Position zur Ausbildung eines gemeinsamen Zündfunkens. Dabei können Materialparameter an der Engstelle derart gewählt werden, dass eine besonders hohe Funkenerosionsresistenz besteht. Zudem wird es möglich, einen an einer anderen Funkenstrecke angeordneten Funken automatisch in Richtung der gemeinsamen Engstelle wandern zu lassen, was beispielsweise bei einer linearen Abstandsverringerung entlang der Elektroden möglich ist. Auf diese Weise kann ein Zündfunken zwischen der ersten und der dritten Elektrode, dem Energieminimumprinzip genügend, den Brennraum durchwandern, ohne dass hierzu eine weitere Bewegung einer der Elektroden erforderlich ist. Auf diese
Weise verringert sich die Funkenerosion und eine Zündung wird an
unterschiedlichen Punkten innerhalb des Brennraums ermöglicht.
Bevorzugt ist die zweite Elektrode derart ausgestaltet, dass sie in Richtung der Kontaktstellen mit der ersten Elektrode bzw. der dritten Elektrode eine konvexe
Oberfläche aufweist. Mit anderen Worten steht ein der ersten Elektrode bzw. der dritten Elektrode nächstgelegener Punkt gegenüber benachbarten Punkten auf der Oberfläche der zweiten Elektrode hervor. Eine solche Oberflächengeometrie ermöglicht ein gezieltes Wandern eines auf der zweiten Elektrode angeordneten Zündfunkenfußpunktes selbst bei linearer Bewegung der zweiten Elektrode. Auf diese Weise kann ein linearer Aktuator verwendet werden, dessen Mechanik robust ausgestaltet werden kann.
Weiter bevorzugt sind die Elektroden derart ausgestaltet, dass die Zündfunken an ihren beiden Enden jeweils einen Funkenfu ßpunkt aufweisen, die sich im
Zuge der Bewegung der zweiten Elektrode auf der Oberfläche der zugehörigen Elektrode zu einer Engstelle hin bewegen. Dabei kann beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt ein Zündfunke zwischen zwei Elektroden ausgebildet sein, dessen Länge im Zuge der Bewegung der zweiten Elektrode abnimmt, indem die Funkenfu ßpunkte die Oberflächen der Elektroden entlangwandern. Dabei kann die Bewegung der zweiten Elektrode entweder dafür sorgen, dass überhaupt ein Zündfunke an einer Position zwischen zwei Elektroden entsteht, an welcher die beiden Elektroden nicht einen geringsten Abstand zueinander aufweisen.
Andererseits kann aufgrund der Bewegung der zweiten Elektrode der Zündfunke zu einem jeweiligen Zeitpunkt an einer Engstelle angeordnet sein, welche jedoch selbst gemeinsam mit dem Funken über die Oberfläche der Elektroden wandert. Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine Verringerung der Funkenerosion an ein und derselben Stelle des Brennraums zum Zünden des Gemisches an unterschiedlichen Raumpunkten. Weiter bevorzugt sind die drei Elektroden derart ausgestaltet und durch die
Bewegung der zweiten Elektrode eingerichtet, den ersten Zündfunken und den zweiten Zündfunken im Zuge der Bewegung der zweiten Elektrode nahe der Engstelle fusionieren zu lassen. Mit anderen Worten werden die erste, die zweite und die dritte Elektrode vorteilhaft derart zueinander angeordnet und die zweite Elektrode zusätzlich derart verschoben, dass sich beispielsweise zwei
Funkenfu ßpunkte zweier unterschiedlicher Zündfunken auf der Oberfläche einer der Elektroden (beispielsweise der zweiten Elektrode) annähern und
anschließend miteinander verschmelzen. Eine solche Situation führt dazu, dass der neu entstandene Zündfunke nicht mehr dem Energieminimumprinzip genügt, da er keine direkte Verbindung zwischen dem Anfangspunkt des ersten
Zündfunkens und dem Endpunkt des zweiten Zündfunkens (in Stromrichtung betrachtet) aufweist. Daher löst sich der gemeinsame (verschmolzene)
Zündfunkenfußpunkt und durchstreicht den Brennraum in Richtung einer linearen Verbindung zwischen dem ersten Funkenfußpunkt und dem zweiten
Funkenfu ßpunkt des nun entstandenen gemeinsamen Zündfunkens. Auch dieses
Szenario vergrößert die Anzahl der Orte bzw. das Volumen, in welchem eine Zündung möglich ist.
Beispielsweise können die erste Elektrode mit einem Minuspol und die dritte Elektrode mit einer Masse einer Spannungsquelle elektrisch verbunden sein.
Dabei kann die zweite (bewegliche) Elektrode ein zwischen dem Minuspol und der elektrischen Masse befindliches elektrisches Potential aufweisen, welches die Spannung zwischen dem Minuspol und der elektrischen Masse in etwa halbiert. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Verschmelzen zweier
Zündfunken, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Insbesondere kann zwischen dem Minuspol und der ersten Elektrode eine Induktivität vorgesehen sein, welche zur Ausbildung eines Magnetfelds eingerichtet ist, mittels welchem die erforderliche Funkenenergie zwischengespeichert werden kann. Die vorstehend beschriebene Anordnung der elektrischen Potentiale kann selbstverständlich ohne Funktionseinschränkungen umgedreht werden, so dass die erste Elektrode mit einem Pluspol einer Spannungsquelle und die dritte Elektrode mit der elektrischen Masse (oder einem anderen korrespondierenden elektrischen Potential) elektrisch verbunden sind. Bevorzugt ist die zweite Elektrode zylinderförmig oder stempeiförmig ausgebildet.
Als stempeiförmig wird beispielsweise eine Querschnittsfläche verstanden, bei welcher ein vergleichsweise schmaler Schaft in einen breiteren, überwiegend konvexen Endbereich übergeht. Eine solche Stempelform bietet eine Vielzahl möglicher Funkenstrecken mit benachbarten Elektroden, welche in Verbindung mit dem konvexen Endbereich Engstellen aufweisen können.
Zusätzlich kann die zweite Elektrode eine plane, spitze, kegelförmige oder gewölbte Stirnfläche aufweisen, die den beiden anderen Elektroden zugewandt ist. Alternativ oder zusätzlich können die erste Elektrode und die dritte Elektrode zylinderförmig, quaderförmig, L-förmig oder bogenförmig ausgebildet sein. Je nach relativer Bewegungsrichtung stellen die vorgenannten Ausgestaltungen der Elektrodenoberflächen geeignete Möglichkeiten dar, Funkenstrecken im Zuge einer Bewegung der zweiten Elektrode durch den Brennraum wandern zu lassen und eine sichere Zündung sowie ein Vermeiden von Funkenerosion zu erzielen.
Äußerst bevorzugt sind die erste und dritte Elektrode auf einer Mantelfläche eines virtuellen Hohlkegels angeordnet, wobei die zweite Elektrode zumindest abschnittsweise innerhalb des virtuellen Hohlkegels angeordnet ist. Dies ermöglicht eine Vermeidung direkter und unerwünschter Zündfunkenstrecken zwischen der ersten und der dritten Elektrode, bevor die zweite Elektrode eine vordefinierte Position zwischen der ersten und der dritten Elektrode verlassen hat.
Bevorzugt ist die Zündeinheit eingerichtet, einen Funkenfu ßpunkt an der ersten und/oder der zweiten Elektrode im Zuge einer Bewegung der zweiten Elektrode eine vordefinierte Strecke entlang einer Oberfläche der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode wandern zu lassen. Mit anderen Worten führt die Bewegung der zweiten Elektrode überdies dazu, dass mindestens ein
Funkenfu ßpunkt während des Bestehens des Zündfunkens einen vordefinierten Weg auf der Oberfläche der ersten und/oder der zweiten Elektrode zurücklegt.
Entsprechendes kann für die zweite Elektrode und die dritte Elektrode gelten. Auf diese Weise verringert sich die Erosion der Elektrodenoberfläche bzw. verteilt sich über einen größeren Flächenbereich, wodurch für die Lebensdauer der Zündeinheit relevante Beschädigungen vermieden oder aufgeschoben werden können.
Weiter bevorzugt können die Oberflächen der ersten und der zweiten Elektrode zueinander derart ausgestaltet sein, dass im Zuge einer Bewegung der zweiten Elektrode unterschiedliche Oberfächenpunktpaare eine kürzeste Entfernung voneinander aufweisen. Mit anderen Worten ist die Position zweier zueinander gehöriger Oberflächenpunkte, welche eine kürzeste Entfernung zwischen den Elektroden zumindest hinsichtlich eines vordefinierten Abschnitts definieren, abhängig von der aktuellen Position der zweiten Elektrode. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Elektrodengeometrie und/oder durch die von der zweiten Elektrode vollzogene Trajektorie realisiert werden. Entsprechendes kann für die zweite Elektrode und die dritte Elektrode gelten. Da ein Zündfunke dazu tendiert, eine möglichst kurze Funkenstrecke passieren zu müssen, kann -wie vorstehend beschrieben- ein Durchstreichen des Brennraums durch den ersten Zündfunken und andererseits ein Wandern des Funkenfußpunktes an den Oberflächen der Elektroden erzwungen werden. Es erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Zündung und der Erosion kann entgegengewirkt werden.
Bevorzugt ist der zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode befindliche Raum großflächig zum Brennraum hin offen. Mit anderen Worten weist ein zwischen den Elektroden angeordneter Raum ein vergleichsweise kleines Volumen im Verhältnis zu seiner Ankopplungsfläche in Richtung des Brennraums hin auf. Dies kann beispielsweise durch kompakte (z.B. zylindrische) Bauformen der einzelnen Elektroden erzielt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Elektroden einerseits von möglichst viel Gasgemisch umspült werden, andererseits wird die mechanische Beanspruchung der
Elektroden durch Expansionen des zwischen ihnen gebildeten Raumes im Zuge des Zündvorgangs weitgehend verhindert. Je nach Ausführung des Aktuators kann die Verbrennungswärme zu Beschädigungen bzw.
Funktionsbeeinträchtigungen führen. Deshalb ist es vorteilhaft, ein den Aktuator umgebendes Gehäuse thermisch isolierend auszugestalten. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine
Brennkraftmaschine mit zumindest einem Brennraum und zumindest einer Zündeinrichtung, wie sie oben im Detail beschrieben worden ist, vorgeschlagen. Erfindungsgemäß weisen die drei Elektroden dabei Abschnitte innerhalb des Brennraums auf, während der Aktuator der Zündeinrichtung au ßerhalb des Brennraums angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Aktuator vor der thermischen, chemischen und mechanischen Beanspruchung innerhalb des Brennraums geschützt werden.
Wenn im Rahmen der vorstehenden Beschreibung nur auf eine Elektrode (die zweite Elektrode) als bewegbar eingegangen worden ist, so ist für den
Fachmann ersichtlich, dass selbstverständlich zwei oder sogar drei Elektroden bewegbar ausgeführt werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dabei sind viele verschiedene Ausgestaltungen, Oberflächengeometrien und Bewegungstrajektorien für die Elektroden möglich, welche den beanspruchten Gegentand verwirklichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Erzeugung eines
Abreißfunkens mittels einer bewegten Elektroden bei sich berührenden Elektroden;
Figur 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Erzeugung eines
Abreißfunkens mittels einer bewegten Elektroden bei voneinander getrennten Elektroden;
Figur 3 eine Prinzipskizze einer räumlichen Anordnung einer festen und einer beweglichen Elektrode in einem kontaktierten Zustand;
Figur 4 eine Prinzipskizze einer räumlichen Anordnung einer festen und einer beweglichen Elektrode in einem voneinander getrennten Zustand; Figur 5a bis 5e eine Abfolge von Prinzipskizzen, visualisierend die Fusion zweier Zündfunken zwischen drei Elektroden durch Bewegung einer Elektrode;
Figur 6 eine Prinzipskizze einer alternativen Elektrodengeometrie mit linear konvergierendem Spalt;
Figur 7 eine Prinzipskizze einer alternativen Elektrodengeometrie mit entlang einer konischen Mantelfläche konvergierendem Spalt; und
Figur 8 eine Prinzipskizze einer alternativen Elektrodengeometrie mit entlang einer Hohlkugelfläche konvergierendem Spalt.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine elektrische Energiequelle U1 , welche eingerichtet ist, einen Strom i1 durch eine Induktivität L1 zu treiben. Hierzu ist ein Schalter S1 hinter der Induktivität L1 mittels eines Aktuators A1 gegen Masse geschlossen. Der Schalter S1 umfasst dabei eine erste Elektrode E1 und eine zweite Elektrode E2. In Figur 1 stehen beide Elektroden E1 , E2 in elektrischem Kontakt zueinander. Die Induktivität L1 wird durch den Stromfluss i1 mit magnetischer Energie aufgeladen.
Figur 2 zeigt die in Figur 1 dargestellte Anordnung nach Öffnen des Schalters S1 mittels des Aktuators A1 . Aufgrund des nun offenen Schalters S1 hat sich zwischen den nun räumlich voneinander getrennten Elektroden E1 und E2 ein Zündfunke F ausgebildet. Dessen Energie wird durch das magnetische Feld der Induktivität L1 bereitgestellt. Befindet sich der Schalter S1 bzw. die Anordnung der Elektroden E1 , E2 innerhalb eines Brennraums II und befindet sich im Bereich des Zündfunkens F zündfähiges Gemisch, kann der Zündfunke zur Entzündung des Gemisches verwendet werden.
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze einer möglichen räumlichen Ausgestaltung zweier Elektroden E1 , E2. Die erste Elektrode E1 ist zumindest abschnittsweise (innerhalb des Brennraumes II) bogenförmig ausgeführt und wird an einem distalen Ende durch eine bewegliche zweite Elektrode E2 an einer Kontaktstelle 1 1 kontaktiert. Die zweite Elektrode E2 ist in Richtung eines Pfeils P beweglich gelagert, so dass ein Abstand zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 hergestellt werden kann. Die in Figur 3 dargestellte Anordnung kann beispielsweise durch einen mittels einer in den Figuren 1 und 2
dargestellten Anordnung mit Strom versorgt werden. Die zweite Elektrode E2 ist mittels magnetischen Kerns M und einer den magnetischen Kern M umgebenden Spule Si als Aktuator eingerichtet, über ein Spannungssignal u(t) einer
Spannungsquelle 12 in vordefinierter Weise bewegt zu werden. Der Aktuator ist außerhalb des Brennraums angeordnet, so dass er vor thermischen, chemischen und mechanischen Einflüssen geschützt ist.
Figur 4 zeigt die in Figur 3 dargestellte Anordnung, nachdem die zweite
Elektrode E2 in Richtung des Pfeils P verschoben wurde. An der in Fig. 3 gezeigten Kontaktstelle 1 1 ist nun eine Engstelle 10 entstanden, an welcher die Elektroden E1 , E2 einen geringsten Abstand zueinander aufweisen. Der
Stromfluss führt hierbei zu einem Zündfunken F, dessen Länge mit zunehmender Verschiebung der zweiten Elektrode E2 zunimmt. Die Fu ßpunkte FF1 , FF2 des Zündfunkens F wandern dabei nicht entlang der Oberflächen der Elektroden E1 ,
E2. Auf diese Weise kann zwar die erforderliche Zündspannung herabgesetzt werden, jedoch führt das feststehende Zündfunkenfu ßpunktpaar FF1 , FF2 zu einer ortsfesten Funkenerosion. Zudem ist die Funkenstrecke (abgesehen von ihrer Länge) im Wesentlichen statisch bzw. nicht in vordefinierter Weise beweglich. Zur erfolgreichen Zündung ist es daher erforderlich, an den sehr begrenzten Raumbereich des Zündfunkens F zündfähiges Gemisch zu bringen.
Figur 5a zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Zündanordnung einer Zündeinheit, umfassend eine erste feststehende Elektrode E1 , eine zweite bewegliche Elektrode E2 und eine dritte feststehende Elektrode E3. Die erste
Elektrode E1 und die dritte Elektrode E3 weisen dabei zwei im Wesentlichen parallele Abschnitte 13, 14 auf, an deren äu ßerem/distalen Ende sie sich durch eine im Wesentlichen giebelförmige Struktur 15, 16 einander annähern. Die zweite Elektrode E2 befindet sich in elektrischem Kontakt mit dem Endabschnitt (15) der ersten Elektrode E1 und dem Endabschnitt (16) der dritten Elektrode E3.
Die zweite Elektrode E2 weist dabei eine den Endabschnitten 15, 16 zugewandte konvexe Oberfläche auf, die an die Oberseite einer Linse erinnert. Ein (nicht dargestellter) Strom der Zündeinheit durchfließt die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 sowie der zweiten Elektrode E2 und der dritten Elektrode E3. Der Strom durch die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E3 wird durch eine Spannungsquelle U1 veranlasst, wobei in Reihe zur Spannungsquelle U1 eine Induktivität L
vorgesehen ist, welche als Energiespeicher verwendet wird. Ist die bewegliche Elektrode E2 in der dargestellten Konstellation in Kontakt mit der ersten
Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3, durchfließt ein Strom die Induktivität L, welcher beim Entfernen der zweiten Elektrode E2 von der ersten und zweiten Elektrode E1 , E3 je einen Abreißfunken erzeugt, wie er in Verbindung mit den nachfolgenden Figuren diskutiert wird. Die Bewegung der zweiten Elektrode E2 wird durch zwei Spulen Si und S2 ermöglicht. Beide sind um ein Gehäuse 18 außerhalb des Brennraums II angeordnet. Innerhalb des Gehäuses 18 befindet sich ein magnetischer Kern M, der mechanisch, bevorzugt steif, mit der zweiten Elektrode E2 gekoppelt ist. Ein Stromfluss durch die erste Spule Si bewirkt nach dem elektrodynamischen Prinzip eine Bewegung des magnetischen Kerns M innerhalb des die Spule Si durchsetzenden Magnetfeldes in eine erste Richtung. Diese kann z.B. in Richtung der Rückstellfeder 17 weisen, welche im Zuge einer solchen Bewegung komprimiert wird und eine Rückstellkraft erzeugt.
Entsprechendes gilt für einen Stromfluss durch die zweite Spule S2. Diese ist eingerichtet, in Abhängigkeit der Richtung eines Stromflusses ebenso wie die Rückstellfeder 17 eine Kraftwirkung zu entfalten, aufgrund welcher die zweite Elektrode E2 in Richtung der Engstelle 10 strebt. Eine alternative Verwendung bzw. Ansteuerung der zweiten Spule S2 ermöglicht dabei eine Addition der elektromagnetischen Kräfte der ersten Spule Si und der zweiten Spule S2 und somit einen großen Hub bei weitgehend linearer Kraftentfaltung und zusätzlich eine Verwendung zweier voneinander unabhängig erzeugter Ströme. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer zweiten Spule S2 (zusätzlich zu oder anstelle der Rückstellfeder 17) besteht in ihrer zentrierenden Wirkung auf einen magnetischen Kern M. Im dargestellten Beispiel werden die Ströme i1 , i2 von (nicht dargestellten) Steuereinheiten bereitgestellt. Beispielsweise könnte ein Motorsteuergerät oder eine für die Zündung vorgesehene Steuereinheit auch zur Erzeugung der beiden Spulenströme i1 , i2 eingerichtet werden. Figur 5b zeigt die in Figur 5a dargestellte Anordnung, nachdem die zweite Elektrode E2 sich in Richtung des Pfeils P von der giebelförmigen Struktur der Endabschnitte der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 entfernt hat. Durch die Entfernung der zweiten Elektrode E2 von der ersten Elektrode E1 hat sich zwischen beiden ein erster Zündfunke F1 in einem Bereich mit geringstem
Abstand in Form einer Engstelle 1 0 mit einem ersten Zündfunkenfu ßpunkt FF1 1 an der erste Elektrode E1 und mit einem zweiten Zündfunkenfu ßpunkt FF12 an der zweiten Elektrode E2 ausgebildet. Dieser ist in einem Bereich der Engstelle 10 zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 angeordnet. Entsprechend hat sich aufgrund der Entfernung der zweiten Elektrode E2 von der dritten Elektrode E3 ein zweiter Zündfunke F2 zwischen der zweiten Elektrode E2 und der dritten Elektrode E3 in einem Bereich der Engstelle 10 mit einem dritten Zündfunkenfu ßpunkt FF22 an der zweiten Elektrode E2 und mit einem vierten Zündfunkenfu ßpunkt FF21 an der dritten Elektrode E3 ausgebildet. Die Anordnung ist erkennbar symmetrisch ausgestaltet.
Figur 5c zeigt die in Figur 5b dargestellte Anordnung, nachdem die zweite Elektrode E2 weiter in Richtung des Pfeils P von den Endabschnitten der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 entfernt worden ist. Der erste
Zündfunke F1 und der zweite Zündfunke F2 sind dabei in Richtung des geringsten Abstandes zwischen der ersten Elektrode E1 und der dritten
Elektrode E3, also in Richtung der Pfeile P1 bzw. P2 gewandert. Die
Oberflächengeometrie der Elektroden E1 , E2 und E3 ist dabei so ausgestaltet, dass die Zündfunkenfu ßpunkte FF1 1 -FF22 im Zuge der Bewegung der zweiten Elektrode E2 in Richtung des Pfeils P gewandert sind. Wandern die an der zweiten Elektrode E2 angeordneten Zündfunkenfu ßpunkte FF1 2, FF22 weiter in Richtung der Pfeile P1 , P2 treffen sich die Fu ßpunkte der Zündfunken F1 , F2 an der Oberfläche der zweiten Elektrode E2, wodurch die Funken F1 , F2
fusionieren.
Figur 5d zeigt die Folge der Bewegung der zweiten Elektrode E2 in Richtung des Pfeils P. Die an der zweiten Elektrode E2 angeordneten Zündfunkenfu ßpunkte FF1 2, FF22 haben sich getroffen, im Ansprechen worauf der erste Zündfunke F1 und der zweite Zündfunke F2 zu einem einzigen Zündfunken F fusioniert sind. Da der nun V-förmig verlaufende Zündfunke F das Bestreben hat, sich dem Energieminimumprinzip entsprechend zu verkürzen, stellt sich die in Figur 5e gezeigte Situation ein.
In Fig. 5e ist der Zündfunke ist mit seinen Fußpunkten an diejenigen Punkte der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 gewandert, welche den geringsten Abstand zueinander aufweisen. Erst diese Funkenstrecke erfüllt das Energieminimumprinzip für den Zündfunken F. In der Zusammenschau der Figuren 5a bis 5e wird ersichtlich, welchen Flächenbereich die Zündfunken F1 , F2 bzw. der Zündfunke F aufgrund der Bewegung der zweiten Elektrode E2 durchstrichen haben. Gegenüber einer ortsfesten Funkenstrecke, wie sie der
Stand der Technik lehrt, wird die Wahrscheinlichkeit für den bzw. die
Zündfunken, zündfähiges Gemisch zu entzünden, deutlich erhöht.
Figur 6 zeigt eine zur in Figur 5 dargestellten Elektrodenanordnung alternative Elektrodengeometrie. Die im Brennraum II befindlichen Elektrodenabschnitte der
Elektroden E1 , E3 sind beispielsweise zylinderförmig oder stabförmig ausgeführt, wobei deren Querschnitt kreisförmig, ellipsenförmig oder rechteckförmig sein kann. Beide nähern sich an eine durch den Aktuator bzw. die Bewegungsrichtung der zweiten Elektrode E2 gedachten Achse in Richtung des Brennraums linear zueinander an. Die Funktionsweise der Anordnung ist identisch mit der in
Verbindung mit Figur 5 diskutierten.
Figur 7 zeigt eine alternative Anordnung und Ausgestaltung dreier Elektroden E1 , E2, E3. Eine erste Elektrode E1 und eine dritte Elektrode E3 sind wendeiförmig entlang einer konischen (oder„kegelförmigen") Hüllfläche angeordnet. Unterhalb beider Elektroden E1 , E3, ist eine zweite Elektrode E2 angeordnet, welche beide Elektroden E1 , E3 in der dargestellten Konstellation zunächst kontaktiert. Obwohl sie sich hinsichtlich der Achse des Konus diametral einander gegenüberstehen, verjüngt sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 in Richtung der Spitze S des Konus. Zu einem ersten Zeitpunkt t = t0 werden (wie in Verbindung mit den Figuren 5a)-e) erläutert) zwei Abreißfunken jeweils zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 sowie zwischen der zweiten Elektrode E2 und der dritten Elektrode E3 erzeugt und fusionieren anschließend durch Entfernen der zweiten Elektrode E2 von der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 am Boden des Konus. Dieser
Vorgang ist in Verbindung mit den Figuren 5a)-5e) bereits beschrieben worden. Nachdem der fusionierte Zündfunke Ft zwischen der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 hergestellt worden ist, ist er bestrebt, die zu
überbrückende Funkenstrecke zu verringern, um dem Energieminimumprinzip zu genügen. Entsprechend wandert der Zündfunke Ft im Konus aufwärts in Richtung der Spitze S, wobei er eine Rotation um die Rotationssymmetrieachse des Konus' vollzieht, wie es durch den Pfeil P3 angedeutet ist. Zu einem
Zeitpunkt t = t2 hat sich der Zündfunke Ft die Elektrodenwendel weiter aufwärts "geschraubt", so dass er als Zündfunke Ft2 nunmehr eine geringere Länge als zuvor aufweist. Um dem Energieminimumprinzip zu genügen, wandern die Zündfunkenfußpunkte FF1 , FF2 die Elektroden E1 , E3 weiter aufwärts, bis sie zu einem späteren Zeitpunkt t= t3 einen Zündfunken Ft3 ausbilden, der zwischen zwei Punkten minimalen Abstandes an einer Engstelle 10 zwischen den
Elektroden E1 , E3 angekommen ist. Figur 8 zeigt eine alternative Anordnung dreier Brennraumelektroden E1 , E2, E3.
Die erste Elektrode E1 und die dritte Elektrode E3 sind im Wesentlichen symmetrisch zur Symmetrieachse y sowie symmetrisch zur Bewegungsachse der zweiten Elektrode E2 angeordnet. Dabei weisen die erste Elektrode E1 und die dritte Elektrode E3 zwei lokale Engstellen 10a, 10b auf, zwischen welchen beide Elektroden E1 , E3 konkave Abschnitte besitzen. Mit anderen Worten vergrößert sich der Abstand zwischen den Elektroden in einem Bereich zwischen den lokalen Engstellen 10a, 10b höhlenförmig. Innerhalb der so gebildeten Höhle ist eine bewegliche zweite Elektrode E2 in drei möglichen Position a), b), c) dargestellt. Die zweite Elektrode E2 weist dabei einen im Wesentlichen kugelförmigen Endabschnitt auf, der einen kleineren Radius hat, als die zwischen der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 gebildete Höhle. Auf diese Weise ist es möglich, dass die zweite Elektrode E2 in der Position a) eine jeweilige Kontaktstelle 1 1 , 12 mit der ersten Elektrode E1 und der dritten
Elektrode E3 an ihrem äußersten Ende aufweist, während sie (nach einer Bewegung in Richtung des Pfeils P) eine jeweilige Kontaktstelle 1 1 , 12 in
Richtung ihrer Aufhängung aufweist. In einer dargestellten Position b) befindet sich die zweite Elektrode E2 zwischen den Positionen a) und b), in welcher sie unter anderem mit denjenigen Stellen der konkaven Elektrodenoberflächen eine Engstelle aufweist, welche einen maximalen Abstand von der Symmetrieachse y aufweisen. In der Position a) kann ein jeweiliger Abreißfunke zwischen der ersten
Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 bzw. zwischen der dritten Elektrode E3 und der zweiten Elektrode E2 erzeugt werden. Wird nun die zweite Elektrode E2 aus der Position a) in die Position b) bewegt, wandern die jeweiligen
Engstellen zwischen der zweiten Elektrode E2 und den feststehenden Elektroden E1 , E3 entlang der kugelförmigen Oberfläche der zweiten Elektrode E2, sowie entsprechenden Punkten auf den hohlkugelförmigen Oberflächen der ersten
Elektrode E1 bzw. der dritten Elektrode E3. Schließlich gelangt die zweite Elektrode E2 in ihre Endposition c), in welcher sie erneut Kontakt mit den feststehenden Elektroden E1 , E3 hat. In dieser Position kann also ein weiterer Abreißfunke erzeugt werden, indem die Bewegungsrichtung der zweiten
Elektrode E2 umgekehrt wird, bis sie schließlich in der Position a) erneut in
Kontakt mit der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 gelangt. Auf diese Weise kann sowohl eine Hinbewegung als auch eine Rückbewegung der zweiten Elektrode (z.B. in zwei aufeinander folgenden Zündzyklen)
erfindungsgemäß ausgestaltet werden.
Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, einen Zündfunken einer Zündeinheit für eine Brennkraftmaschine durch eine bewegliche Anordnung zumindest einer Elektrode in vordefinierter Weise ortsvariabel zu erzeugen. Dabei ist die Funkenstrecke zu einem ersten Zeitpunkt gegenüber einem zweiten Zeitpunkt in vordefinierter Weise verschoben, gedreht, geschwenkt oder anderweitig modifiziert, um zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Brennraumvolumina zu durchbrechen. Die Wahrscheinlichkeit, zündfähiges Gemisch erfolgreich zu zünden, wird hierdurch erhöht, so dass magere
Gemische bzw. weniger homogene Gemische verwendet werden können.
Zusätzlich kann Elektrodenerosion vermieden werden, indem der
Zündfunkenfußpunkt auf einer jeweiligen Elektrode mit der Zeit auf der
Oberfläche der Elektrode wandert.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften
Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Zündeinrichtung für einen Brennraum (II) einer Brennkraftmaschine umfassend
eine erste Elektrode (E1 ) und
eine mittels eines Aktuators (Si , S2, M) bewegliche zweite Elektrode (E2), wobei
die Zündeinrichtung eingerichtet ist, einen ersten Zündfunken (F1 ) zu erzeugen, wenn ein Kontakt zwischen der ersten Elektrode (E1 ) und der zweiten Elektrode (E2) unterbrochen wird, indem die zweite Elektrode (E2) von der ersten Elektrode (E1 ) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
eine dritte Elektrode (E3) vorgesehen ist, die auf Abstand zur ersten Elektrode (E1 ) angeordnet ist, wobei
zusätzlich ein zweiter Zündfunken (F2) erzeugt wird, wenn die zweite Elektrode (E2) von den beiden anderen Elektroden (E1 , E3) weg bewegt wird, wobei
die drei Elektroden (E1 , E2, E3) derart ausgebildet sind, dass die beiden Zündfunken (F1 , F2) im Zuge der Bewegung der zweiten Elektrode (E2) ein zwischen den Elektroden (E1 , E2, E3) gebildetes Volumen in Richtung quer zur Längserstreckung der Zündfunken durchlaufen.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Elektroden (E1 , E2, E3) derart angeordnet sind, dass die bewegliche zweite Elektrode (E2) vor ihrer Bewegung die erste Elektrode (E1 ) und die dritte Elektrode (E3) jeweils an einer
Kontaktstelle (1 1 , 12) kontaktiert.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (E1 ) und die dritten Elektrode (E3) eine gemeinsame Engstelle (10) aufweisen, an welcher ihr kleinster Abstand voneinander angeordnet ist.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (E2) von den Kontaktstellen (1 1 , 12) aus gesehen mit einem Abschnitt in Richtung der ersten Elektrode (E1 ) und der dritten Elektrode (E3) oder in Richtung der Engstelle (10) vorsteht.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zündfunken (F1 , F2) an ihren beiden Enden jeweils einen Funkenfußpunkt (FF1 1 , FF12, FF21 , FF22) aufweisen, wobei sich die Funkenfußpunkte (FF1 1 , FF12, FF21 , FF22) im Zuge der
Bewegung der zweiten Elektrode (E2) auf der Oberfläche der zugehörigen Elektrode (E1 , E2) zur Engstelle (10) hin bewegen.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Elektroden (E1 , E2, E3) eingerichtet sind, den ersten Zündfunken (F1 ) und den zweiten Zündfunken (F2) im Zuge der
Bewegung der zweiten Elektrode (E2) nahe der Engstelle (10) fusionieren zu lassen.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die erste Elektrode (E1 ) mit einem Minuspol und die dritte Elektrode (E3) mit einer elektrischen Masse oder einem korrespondierenden Pluspol einer Spannungsquelle (u1 ) elektrisch verbunden ist, wobei zwischen dem Minuspol und der ersten Elektrode (E1 ) eine Induktivität (L) vorgesehen ist, oder
die erste Elektrode (E1 ) mit einem Pluspol und die dritte Elektrode (E3) mit einer elektrischen Masse oder einem korrespondierenden Minuspol einer Spannungsquelle (u1 ) elektrisch verbunden ist, wobei zwischen dem Pluspol und der ersten Elektrode (E1 ) eine Induktivität (L) vorgesehen ist.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (E2) zylinderförmig oder stempeiförmig ausbildet ist und/oder eine plane, spitze, kegelförmige oder gewölbte Stirnfläche aufweist, die den beiden anderen Elektroden (E1 , E3) zugewandt ist, und/oder
die erste Elektrode (E1 ) und die dritte Elektrode (E3) zylinderförmig, quaderförmig, L-förmig oder bogenförmig ausgebildet sind.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (M, S1 , S2) zumindest eine elektrische Spule (S1 , S2) umfasst, die mit einem magnetischen Kern (M)
zusammenwirkt, der mit der zweiten Elektrode (E2) mechanisch verbunden ist, wobei der Aktuator (M, S1 , S2) insbesondere auch eine Rückstellfeder (1 7) umfasst, die einer durch die Spule (S1 , S2) und den magnetischen Kern (M) erzeugten Kraft entgegen wirkt.
Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte Elektrode (E1 , E3) auf einer Mantelfläche eines virtuellen Hohlkegels angeordnet sind, wobei die zweite Elektrode (E2) zumindest abschnittsweise innerhalb des virtuellen
Hohlkegels angeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit zumindest einem Brennraum (I I) und mit zumindest einer Zündeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Elektroden (E1 , E2, E3) der Zündeinrichtung innerhalb des Brennraums (II) und der Aktuator (M, Si , S2) der
Zündeinrichtung au ßerhalb (I) des Brennraums (II) angeordnet ist.
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